平面連桿機(jī)構(gòu)及設(shè)計.ppt

第三章 連桿機(jī)構(gòu)和設(shè)計 CHAPTER 3 ANALYSIS AND SYNTHESIS OF LINKAGES 3-l 概述 3-2 平面四桿機(jī)構(gòu)的基本類型及其演化 3-3 平面四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件及幾個基本概念 3-4 平面四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計,概述,1. 平面連桿機(jī)構(gòu),2. 特點,1、承載能力大，耐磨損，且便于潤滑，使用壽命長； 2、便于制造，成本低，且易達(dá)到較高的精度； 3、運動鏈較長，所以運動累積誤差大； 4、連桿產(chǎn)生的慣性力難以生產(chǎn)平衡； 5、設(shè)計計算較復(fù)雜。,許多剛性構(gòu)件用低副聯(lián)接組成的平面機(jī)構(gòu)。,3連桿機(jī)構(gòu)的分類,3.1 根據(jù)連桿機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件間相 對運動范圍分：,平面連桿機(jī)構(gòu) 空間連桿機(jī)構(gòu),3.2 根據(jù)連桿機(jī)構(gòu)所含構(gòu)件數(shù)分：,四桿機(jī)構(gòu) 多桿機(jī)構(gòu),32 平面四桿機(jī)構(gòu)的基本類型及其演化,一、平面四桿機(jī)構(gòu)的基本型式及應(yīng)用,基本型式鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，其它四桿機(jī)構(gòu)都是由它演變得到的,名詞解釋： 曲柄作整周定軸回轉(zhuǎn)的構(gòu)件；,三種基本型式：,（1）曲柄搖桿機(jī)構(gòu),特征：曲柄搖桿,作用：將曲柄的整周回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)閾u桿的往復(fù)擺動。如雷達(dá)天線。,連桿作平面運動的構(gòu)件；,連架桿與機(jī)架相聯(lián)的構(gòu)件；,搖桿作定軸擺動的構(gòu)件；,周轉(zhuǎn)副能作360 相對回轉(zhuǎn)的運動副；,擺轉(zhuǎn)副只能作有限角度擺動的運動副。,曲柄,連桿,搖桿,（2）雙曲柄機(jī)構(gòu),特征：兩個曲柄,作用：將等速回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榈人倩蜃兯倩剞D(zhuǎn)。如慣性篩等。,雷達(dá)天線俯仰機(jī)構(gòu) 曲柄主動,縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu),實例：火車輪,慣性篩機(jī)構(gòu),特例：平行四邊形機(jī)構(gòu),特征：兩連架桿等長且平行，連桿作平動,、攝影平臺,、天平,、播種機(jī)料斗機(jī)構(gòu),反平行四邊形機(jī)構(gòu),-車門開閉機(jī)構(gòu),（3）雙搖桿機(jī)構(gòu),特征：兩個搖桿,應(yīng)用舉例：鑄造翻箱機(jī)構(gòu),特例：等腰梯形機(jī)構(gòu)汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),、風(fēng)扇搖頭機(jī)構(gòu),二、平面連桿機(jī)構(gòu)的演化,(1) 改變相對桿長，轉(zhuǎn)動副演化為移動副,偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu),對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu),曲柄搖桿機(jī)構(gòu),曲柄滑塊機(jī)構(gòu),雙滑塊機(jī)構(gòu),正弦機(jī)構(gòu),s=l sin ,(2)改變轉(zhuǎn)動副半徑，演化為偏心輪機(jī)構(gòu),偏心輪機(jī)構(gòu),(2)選用不同構(gòu)件為機(jī)架,小型刨床,牛頭刨床,應(yīng)用實例,直動滑桿機(jī)構(gòu),手搖唧筒,這種通過選擇不同構(gòu)件作為機(jī)架以獲得不同機(jī)構(gòu)的方法稱為：,-機(jī)構(gòu)的倒置,(4)運動副元素的逆換,將低副兩運動副元素的包容關(guān)系進(jìn)行逆換，不影響兩構(gòu)件之間的相對運動。,導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),搖塊機(jī)構(gòu),33平面四桿機(jī)構(gòu)的基本知識,1.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件,設(shè)ad,連架桿若能整周回轉(zhuǎn)，必有兩次與機(jī)架共線,b(d-a)+c,將以上三式兩兩相加得： ab, ac, ad,若設(shè)ad，同理有： da, db, dc,則由BCD可得：,則由B”C”D可得：,a+db+c,c(d-a)+ b,即: a+bd+c,即: a+cd+b,AB為最短桿,AD為最短桿,2)連架桿或機(jī)架之一為最短桿。,可知：當(dāng)滿足桿長條件時，其最短桿參與構(gòu)成的轉(zhuǎn)動副都是周轉(zhuǎn)副。,曲柄存在的條件：,1) 最短桿與最長桿的長度之和應(yīng)其他兩桿長度之和，,此時，鉸鏈A為周轉(zhuǎn)副。,若取BC為機(jī)架，則結(jié)論相同，可知鉸鏈B也是周轉(zhuǎn)副。,稱為桿長條件,鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)三種基本形式的判別依據(jù)：,1、當(dāng)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)滿足桿長條件時，若：,（1）最短桿為連架桿時曲柄搖桿機(jī)構(gòu) （2）最短桿為機(jī)架時雙曲柄機(jī)構(gòu)（含平行 四邊形機(jī)構(gòu)） （3）最短桿為連桿時雙搖桿機(jī)構(gòu),2、當(dāng)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)不滿足桿長條件時 雙搖桿機(jī)構(gòu),2、急回運動和行程速比系數(shù),在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，當(dāng)曲柄與連桿兩次共線時，搖桿位于兩個極限位置，簡稱極位。,當(dāng)曲柄以逆時針轉(zhuǎn)過180+時，搖桿從C1D位置擺到C2D。,所花時間為t1 , 平均速度為V1,那么有：,此兩處曲柄之間的夾角 稱為極位夾角。,180,當(dāng)曲柄以繼續(xù)轉(zhuǎn)過180-時，搖桿從C2D,置擺到C1D，,180-,所花時間為t2 ,平均速度為V2 ,那么有：,因曲柄轉(zhuǎn)角不同，故搖桿來回擺動的時間不一樣，平均速度也不等。,并且：t1 t2 V2 V1,搖桿的這種特性稱為急回運動。用以下比值表示急回程度：,稱K為行程速比系數(shù)。,且越大，K值越大，急回性質(zhì)越明顯。,只要 0 ， 就有 K1,曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的急回特性,應(yīng)用：空行程節(jié)省運動時間，如牛頭刨、往復(fù)式輸送機(jī)等。,180,180-,導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的急回特性,180,180-,對于需要有急回運動的機(jī)構(gòu)，常常是根據(jù)需要的行程速比系數(shù)K, 先求出 ，然后在設(shè)計各構(gòu)件的尺寸。,3、壓力角與傳動角,（1）壓力角,如圖326所示鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，若不考慮構(gòu)件的重力、慣性力和運動副中的摩擦力等影響，則主動件AB上的驅(qū)動力通過連桿BC傳給輸出件CD的力F是沿BC方向作用的?，F(xiàn)將力F沿受力點C的速度方向和垂直方向分解得到有效分力F1和有害分力F2。由圖可知，,Ft = F cos , Fn= F sin,F1對輸出件 CD產(chǎn)生有效轉(zhuǎn)動力矩。因此，為使機(jī)構(gòu)傳力效果良好，顯然應(yīng)使F1愈大愈好，即要求角愈小愈好，理想情況是0，最壞的情況90 。由此可知，在力F一定的條件下，F(xiàn)1和F2的大小完全取決于，所以角是反映機(jī)構(gòu)傳力效果好壞的一個重要參數(shù)，一般稱它為機(jī)構(gòu)的壓力角。機(jī)構(gòu)壓力角的定義：,Ft,Fn,作用于C點的力與C點的速度方向之間所夾的銳角，用 表示。稱為機(jī)構(gòu)的壓力角,（2）傳動角 壓力角的余角稱為傳動角。 的值愈大愈好.，應(yīng)使傳動角的最小值 min大于或等于其許用值，即 min 。一般機(jī)械中，推薦 40一50.,min出現(xiàn)的位置：,當(dāng)BCD90時，BCD,當(dāng)BCD90時，,當(dāng)BCD最小或最大時，都有可能出現(xiàn)min,此位置一定是：,180- BCD,主動件與機(jī)架共線兩處之一。,3、最小傳動角的位置,由余弦定律有： B1C1Darccosb2+c2-(d-a)2/2bc,B2C2Darccosb2+c2-(d+a)2/2bc,若B1C1D90,則,若B2C2D90, 則,1B1C1D,2180-B2C2D,機(jī)構(gòu)的傳動角一般在運動鏈最終一個從動件上度量。,minB1C1D, 180-B2C2Dmin,4.四桿機(jī)構(gòu)的死點,搖桿為主動件，且連桿與曲柄兩次共線時，有：,此時機(jī)構(gòu)不能運動.,避免措施： 兩組機(jī)構(gòu)錯開排列，如火車輪機(jī)構(gòu);,稱此位置為：,“死點”,0,靠飛輪的慣性（如內(nèi)然機(jī)等）。,鉆孔夾具,也可以利用死點進(jìn)行工作： 起落架、鉆夾具等。,飛機(jī)起落架,5.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的運動連續(xù)性,指連桿機(jī)構(gòu)能否連續(xù)實現(xiàn)給定的各個位置。,可行域：搖桿的運動范圍。,不可行域：搖桿不能達(dá)到的區(qū)域。,設(shè)計時不能要求從一個可行域跳過不可行域進(jìn)入另一個可行域。,稱此為錯位不連續(xù)。,錯序不連續(xù),設(shè)計連桿機(jī)構(gòu)時，應(yīng)滿足運動連續(xù)性條件。,八、圖示鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，各樣的長度為 了L 1=28， L 2=52，L 3=50， L 4=72，試求：當(dāng)取桿4為機(jī)架時，求， Ymin和行程速比系數(shù)K。,七、現(xiàn)需設(shè)計一鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，如圖所示搖桿CD的長度LCD=150mm，搖桿的兩極限位置與機(jī)架AD所成的角度如圖 機(jī)構(gòu)的行程速比系數(shù)k=1，試確定曲柄AB和連桿BC的長度。（10分）,36 平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計,36 平面四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計,1.連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計的基本問題,機(jī)構(gòu)選型根據(jù)給定的運動要求選擇機(jī)構(gòu)的類型；,尺度綜合確定各構(gòu)件的尺度參數(shù)(長度尺寸)。,同時要滿足其他輔助條件：,a)結(jié)構(gòu)條件（如要求有曲柄、桿長比恰當(dāng)）;,b)動力條件（如min）;,c)運動連續(xù)性條件等。,三類設(shè)計要求：,1)滿足預(yù)定的運動規(guī)律，兩連架桿轉(zhuǎn)角對應(yīng)，如起落架、牛頭刨。,2)滿足預(yù)定的軌跡要求，如鶴式起重機(jī)、攪拌機(jī)等。,3)滿足預(yù)定的連桿位置要求，如鑄造翻箱機(jī)構(gòu)。,飛機(jī)起落架,要求兩連架桿轉(zhuǎn)角對應(yīng),鶴式起重機(jī),攪拌機(jī)構(gòu),要求連桿上E點的軌跡為一條卵形曲線,要求連桿上E點的軌跡為一條水平直線,3.用作圖法設(shè)計四桿機(jī)構(gòu),3.1按預(yù)定連桿位置設(shè)計四桿機(jī)構(gòu),a)給定連桿兩組位置,有唯一解。,c )給定連桿四組位置,將鉸鏈A、D分別選在B1B2，C1C2連線的垂直平分線上任意位置都能滿足設(shè)計要求。,b)給定連桿上鉸鏈BC的三組位置,設(shè)計復(fù)雜，不討論。,有無窮多組解。,已知固定鉸鏈A、D和連架桿位置，確定活動鉸鏈B、C的位置。,3.2按兩連架桿預(yù)定的對應(yīng)位置設(shè)計四桿機(jī)構(gòu),機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)化原理,3.2按兩連架桿三組對應(yīng)位置設(shè)計四桿機(jī)構(gòu) 已知:機(jī)架長度d和兩連架桿三組對應(yīng)位置。,1.任意選定構(gòu)件AB的長度,2.連接B2 E2、DB2的得B2 E2D ，,3. 繞D 將B2 E2D旋轉(zhuǎn)1 -2得B2點；,3,2,1,3,2,1,A,B3,B2,B1,E3,E2,E1,d,D,B2,3.2 按兩連架桿三組對應(yīng)位置設(shè)計四桿機(jī)構(gòu) 已知:機(jī)架長度d和兩連架桿三組對應(yīng)位置。,1.任意選定構(gòu)件AB的長度,2.連接B2 E2、DB2的得B2 E2D ，,4.連接B3 E3、DB3的得B3 E3D ，,5.繞D將B3E3D旋轉(zhuǎn)1 -3得B3點；,3. 繞D 將B2 E2D旋轉(zhuǎn)1 -2得B2點；,3,2,1,3,2,1,A,B1,E3,E2,E1,d,D,B3,B2,3.2按兩連架桿三組對應(yīng)位置設(shè)計四桿機(jī)構(gòu) 已知:機(jī)架長度d和兩連架桿三組對應(yīng)位置。,1.任意選定構(gòu)件AB的長度,2.連接B2 E2、DB2的得B2 E2D ，,3.繞D點旋轉(zhuǎn)B2 E2D得B2點；,6. 由B1 B2 B3 三點求圓心C1 。,4.連接B3 E3、DB3的得B3 E3D ，,5.繞D將B3E3D旋轉(zhuǎn)1 -3得B3點；,3.3按連桿上任意標(biāo)志線的三組對應(yīng)位置設(shè)計四桿機(jī)構(gòu),已知:機(jī)架長度d和連桿上某一標(biāo)志線的三組對應(yīng)位置： M1N1、 M2N2 、 M3N3 ，求鉸鏈B、C的位置。,分析:鉸鏈A、D相對于鉸鏈B、C的運動軌跡各為一圓弧，依據(jù) 轉(zhuǎn)化原理，將連桿固定作為機(jī)架，得一轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)，在轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)中，AD成為連桿。只要求出原機(jī)架AD相對于標(biāo)志線的三組對應(yīng)位置，原問題就轉(zhuǎn)化為按連桿三組位置設(shè)計四桿機(jī)構(gòu)的問題。,B1,A,D,M1,N1,M2,M3,N2,A,A”,N3,分析:鉸鏈A、D相對于鉸鏈B、C的運動軌跡各為一圓弧，依據(jù) 轉(zhuǎn)化原理，將連桿固定作為機(jī)架，得一轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)，在轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)中，AD成為連桿。只要求出原機(jī)架AD相對于標(biāo)志線的三組對應(yīng)位置，原問題就轉(zhuǎn)化為按連桿三組位置設(shè)計四桿機(jī)構(gòu)的問題。,3.3按連桿上任意標(biāo)志線的三組對應(yīng)位置設(shè)計四桿機(jī)構(gòu),已知:機(jī)架長度d和連桿上某一標(biāo)志線的三組對應(yīng)位置： M1N1、 M2N2 、 M3N3 ，求鉸鏈B、C的位置。,3.4按給定的行程速比系數(shù)K設(shè)計四桿機(jī)構(gòu),a) 曲柄搖桿機(jī)構(gòu),計算180(K-1)/(K+1);,已知：CD桿長，擺角及K，設(shè)計 此機(jī)構(gòu)。步驟如下：,任取一點D，作等腰三角形腰長 為CD，夾角為;,作C2PC1C2，作C1P使,作P C1C2的外接圓，則A點必在此圓上。,選定A，設(shè)曲柄為a，連桿為b，則A C1=a+b,以A為圓心，A C2為半徑作弧交于E,得： a=EC1/ 2 b= A C1EC1/ 2,A C2=b-a，故有：,a=( A C1A C2)/ 2,C2C1P=90,交于P;,(3)按給定的行程速比系數(shù)K設(shè)計四桿機(jī)構(gòu),b) 曲柄滑塊機(jī)構(gòu),已知K，滑塊行程H，偏距e，設(shè)計此機(jī)構(gòu) 。,計算180(K-1)/(K+1);,作C1 C2 H,作射線C1O 使C2C1O=90,以O(shè)為圓心，C1O為半徑作圓。,以A為圓心，A C1為半徑作弧交于E,得： a=EC2/ 2 b= A C2EC2/ 2,作射線C2O使C1C2 O=90。,作偏距線e，交圓弧于A，即為所求。,3.4按給定的行程速比系數(shù)K設(shè)計四桿機(jī)構(gòu),c) 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),由于與導(dǎo)桿擺角相等，設(shè)計此機(jī)構(gòu)時，僅需要確定曲柄 a。,計算180(K-1)/(K+1);,任選D作mDn，,取A點，使得AD=d, 則: a=dsin(/2)。,作角分線;,設(shè)已知：機(jī)架長度d，K，設(shè)計此機(jī)構(gòu)。,3.4實驗法設(shè)計四桿機(jī)構(gòu),按連架桿對應(yīng)的角位移設(shè)計四桿機(jī)構(gòu),1)首先在一張紙上取固定軸A的位置，作原動件角位移i,2)任意取原動件長度AB,3)任意取連桿長度BC，作一系列圓弧,4)在一張透明紙上取固定軸D，作角位移i,5) 取一系列從動件長度 作同心圓弧。,6) 兩圖疊加，移動透明紙， 使ki落在同一圓弧上。,2)按預(yù)定